(Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence...

34
(Chemical Bonding) (Chemical Bonding)

Transcript of (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence...

Page 1: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

(Chemical Bonding)(Chemical Bonding)(Chemical Bonding)(Chemical Bonding)

������������ ���� �� ���������

Page 2: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

��������������� (VB) ���������� ��������������������������������� �����!��"��#����$ ���%��� ��%�#�& AO )�&���� *�#���+#�#��% ������������������ *�������"� ������� ��������"� ����,�����%��*�#�• AO �������� �����������������-� ��.-� �&���������������) ��!&#����#����� MO *��-� ��.������ organic molecule

3. ��������������� (Valence Bond Theory)

2

AO �������� �����������������-� ��.-� �&��������������• �) ��!&#����#����� MO *��-� ��.������ organic molecule ;� �)<=���#��������&-� �&)�&�����-

� ���$ ���%��� )�& AO �>?��//��0������ (Bonding) ��#���=� (�����*�� σ,π,δ)

� ; #�� ���������� ����,�������, *� � ( ��� 2 ����,�����)�����-� �&�����

Page 3: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

�����1����2������ VB

����������������&!������������ ����,���������� ��!��"����!�����&����,�����������

• H = − − − − − ����,��������� 1 AO !����� 1 �����• N = − − − − − ����,��������� 3 AO !����� 3 �����

− − − − −

1s 2s 2px 2py 2pz

3

N = ����,��������� 3 AO !����� 3 �����• F = − − − − − ����,��������� 1 AO !����� 1 �����• C = − − − − − ����,��������� 2 AO !�����*�# 2 �����?

� ��������������!�����$ ���%��� )�& AO � ����,���������• H2 • N2

• HFH−H

H− F

N≡N

Page 4: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

�����1����2������ VB *

� >NO%�����&!��������������&-� �&������$ ���%��� )�& AO ��!��"����!�����&����,����������� �������

• C = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����• O = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����

1s 2s 2px 2py 2pz

4

• O = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����

� ���&-� �&� >NO%�• ��������#�!����������;� *�#-�&�������#���=�• H2O !����P��&)�&��������� Q �������#���� 90° (�#�!��&��� 104.5)

O H

H

Page 5: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

45/��41�6� (Hybridization)*

� . ���!��"��#�����,������� 2s )�&�������.+�����Q �)<=�;>� 2p �Z��% !Z���� AO � ����,��������� ��)<=�

• C = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����• C = − − − − − ����,��������� 4 AO !����� 4 �����

1s 2s 2px 2py 2pz

5

• C = − − − − − ����,��������� 4 AO !����� 4 ������ �������&���#��������=&-)�&��������% �������Q�>������ �����=&- ��[���#������������=&- (s px py pz) !�_- �� ��������>?�����������% #������#� ���������;`����;��$��� ;� ;`������������� 4 ���� ���&&����#����*�# ��P��&�#�&���

• C = − − − − −

1s sp3

CH4

Page 6: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

45/��41�6� (Hybridization)

� ���/�������0��45/��1<<��/��� ��� ���_- ���� ����������������� ����-� �&����������Q��% #� �+>�#�&*����������&&����#���� �����% -� ��.���������-� �&�����;� �)<=�• ;`���;��$���!�����;� �,�#�� ������� ������=<� AO ��@A�2��0@�����

• ����������% # �����#� ;`������������� (Hybrid orbital)

6

2��0@�����• ����������% # �����#� ;`������������� (Hybrid orbital)

♦ ���BC�A�������1/�������A���� A��������� � A����• !Z����;`�������������= ���� ��������������

s

p

sp3

Hybridization

<<��/���=<�<� <� 45/��1<<��/���=<�<� <�

Page 7: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

6��1=<�45/��1<<��/���

� ����;`�������������)<=��������*��!Z����)�& AO � �_- ���• sp �� 2 <<��/��� (Linear)• sp2 �� 3 <<��/��� (Trigonal planar)• sp3 �� 4 <<��/��� (Tetrahedral)• sp3d �� 5 <<��/��� (Trigonal bipyramidal)

�+>�#�&)�&;`�������������!��#�&!�� p ���������

7

• sp3d �� 5 <<��/��� (Trigonal bipyramidal)• sp3d2 �� 6 <<��/��� (Octahedral)

� !Z�������������� ;� ��#����!Z���� AO ��=&% �� ����,��������� (��=&���������>���*��;`�������������)

� ;`������������� (sp, sp2, c) -� ��.���������$�� ���#���=���)"�����������>��� (s,p,d c) -� ��.���������$�� � ;� ���� � ...

Page 8: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

sp 45/��1<<��/���

sp-Hybridization ������_- ��%�#�&s-orbital *�� p-orbital

� ;� sp-hybrid orbital 2 ���������!�����&����>?��- ���&

� p-orbital ��%�����!��������� π

8

!�����&����>?��- ���&� p-orbital ��%�����!��������� π 1 %��� 2 �����

s

px py pz

spHybridization

py pz

� 2 σ σ σ σ-bond � 2 ππππ-bond

Page 9: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

sp2 45/��1<<��/���

sp2-Hybridization ������_- ��%�#�& s-orbital *�� 2 p-orbitals

� ;� sp2-hybrid orbital �� 3 ���������!�����&����>?�*��-� �%�� �����p-orbital ��%�����!��������� π

9

!�����&����>?�*��-� �%�� ������ p-orbital ��%�����!��������� π

s

px py pz

sp2Hybridization

pz

� 3 σ σ σ σ-bond � 1 ππππ-bondp-orbital

Page 10: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

sp3 45/��1<<��/���

sp3-Hybridization ����!�� s-orbital *�� 3 p-orbitals

� ;� sp3-hybrid orbital �� 4 ���������!�����&����>?�*����&-%� �; # p orbital �%����% -� �&����� π

10

!�����&����>?�*����&-%� �� ; # p orbital �%����% -� �&����� π

s

px py pz

sp3Hybridization

� 4 σ σ σ σ-bond ("�#����$%�������&'����������� ���������)

Page 11: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

sp3d ��� sp3d2 45/��1<<��/���

���Q������ 3 )<=�;> ��!�� d ��������������;`�����������������&&��; #*���#�&!�� p �����

� sp3d Hybridization• 5 sp3d hybrid orbitals• !�����&�>?���� ���+#[��-� �%��

11

5 sp d hybrid orbitals• !�����&�>?���� ���+#[��-� �%��

� sp3d2 Hybridization• 6 sp3d2 hybrid orbitals• !�����&�>?���&*>�%� �

Page 12: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

HH

�<�A�������0������N1�����45/��1

� Be (1s22s2)

2s

2px 2py 2pz

spHybridization 2py 2pz Be

BeH2

Linear

12

H

� C (1s22s22p2)H

CH3Cl

C

H

2s

2px 2py 2pz

sp3Hybridization

Cl

Tetrahedral

Page 13: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

H

� N (1s22s22p3)

NH3

H2s

2px 2py 2pz

sp3Hybridization

N

H

Trigonal

Pyramidal

�<�A�������0������N1�����45/��1

13

� O (1s22s22p2)

NH3

H2O

2s

2px 2py 2pz

sp3Hybridization O

H

H

Bent

Page 14: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

����@BA (Double Bond)

� ������+# >������ ��• ����� sigma (σ) !�� hybrid orbital• ����� pi (π) !�� p-orbital

14

Page 15: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

����@BA2� H2C=CH2

� ������+#�� H2C=CH2 >������ ��• ����� sigma !�� sp-orbital )�&�������• ����� pi !�� p-orbital )�&�������

+ + +

15

- - -

+

-

+

-

+

-

Page 16: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

������� (Triple Bond)

� ������+# >������ ��• ����� sigma (σ) !�� hybrid orbital %��� p-orbital• ����� pi (π) 2 ����� !�� 2 p-orbital

♦ N≡≡≡≡N (3 ���������!�� px py pz)♦ HC≡≡≡≡CH (3 ���������!�� sp px py)

16

+ +

+ +

- -

- -

+

-

+

-

Page 17: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

2. �����N���T����<<��/��<� (MO Theory)

�����N���T�A���<<��/��� (Molecular Orbital Theory) �������������������������������� ���������)�&� ���Q�

<� <�AO

<� <�AO

N���T�MO+

17

� <<��/���=<�N���T� (MO) ������+#)�&����,�������� ���Q�����!������� ���������)�&���� (AO) �� ���_��� ���&�- ���& (Linear Combination of Atomic Orbital, LCAO)

� !Z���� MO �����)<=���#����!Z���� AO ��=&% �

AO MO

Page 18: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

�����0��N���B����<<��/���

���������)�&� ���Q�����!�����$ ���%��� (overlap) )�& AO � �//���� (Bonding): �>?������ AO � ��� @�WX<�����(��)��W<���

=��1<<��/���2����6WX<�<� <���X�=YZ� �[������=YZ�� �//������ (Antibonding): �>?������ AO � ��� @�WX<�����(��) A����

=��1<<��/���2����6WX<�<� <��1�� �[����0<��� (��������X�)

18

=��1<<��/���2����6WX<�<� <��1�� �[����0<��� (��������X�)

1sA1sB

bonding

antibonding

En

erg

y

�\�\���1/������=<�N���B����<<��/���(Molecular Orbital Diagram) ���*_�_�&�*-�&��������&&��)�& MO ������� AO

1sA + 1sB Bonding

1sA −−−− 1sB Antibonding

Page 19: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

An analogy between light waves and wave functions (ΨΨΨΨ) used to describe electron waves from interacting atomic orbitals.

NOTE: +/- signs show PHASES of waves, NOTCHARGES!

A B

Amplitudes of wave functions added

Amplitudes of wave functions subtracted.

ΨΨΨΨA + ΨΨΨΨB

A

B

ΨΨΨΨA - ΨΨΨΨB 19

Page 20: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

� ����0<���WX<�=<�<<��/���=<�<� <� (AO Overlap)� �� AO ���$ ���%��� ���!��� ��������>?� MO• �//���� (bonding molecular orbital, BMO) ���������!� )����%O#)<=���*������ ��%�#�&���� ��� �-.����� )<=�

• �// 0������ (antibonding molecular orbital, AMO) ���������

�����0��N���B����<<��/���*

20

• �// 0������ (antibonding molecular orbital, AMO) ���������!� )����%O#)<=���*������ ��%�#�&���� ��� �-.�����&

� ����0<���WX<�=<� AO _���1=YZ�410�WX<• AO ���&&����� ���&���• AO )�����% ��- • AO �+>�#�&*����P��&��% �-

Page 21: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

����������0<���WX<���=<�<<��/���*

� �+>�#�&�����������)�&*�#������

x

y

z

21

� ���$ ���%��� �����%�#�&���������)�& A *�� B2s orbital

A(s) B(px)A(s) B(s) A(px) B(px) A(py) B(py) A(s) B(py)

Page 22: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

6��1=<�N���B����<<��/���

����)�& MO )<=�����+>*������� ���)�& AO� sigma bond (σ,σ*): ���$ ���%��� ���*�� 1-lobe )�& Aos (head-on overlap)

� pi-bond (π,π*): ���$ ���%��� ���*�� 2-lobe )�& AOs σσσσ antibondingσσσσ bonding

22

� pi-bond (π,π*): ���$ ���%��� ���*�� 2-lobe )�& AOs (side-on overlap)

� delta-bond (δ,δ*): ���$ ���%��� ���*�� 4-lobe )�& AOsππππ bonding ππππ antibonding ππππ bonding

δδδδ bonding

Page 23: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

6��1=<�����*

� Sigma antibonding (σσσσ*) �Pi antibonding (ππππ*)

23

� Sigma bonding (σσσσ) �Pi bonding (ππππ)

s+s px+px py+py

Page 24: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

Molecular Orbital Diagram*

�\�\���1/������=<�N���T����<<��/��� ���*_�_�&�*-�&��������&&��)�& MO ���������������&&��)�& AO

� AOs ��!�� ���*���-�� %����Z����• ����� *���Z����!�;� AMO (E ��� )• ����� *���-�� !�;� BMO (E ��)

24

• ����� *���-�� !�;� BMO (E ��)EAMO >>>> EAO >>>> EBMO

� . � AO ���$ ���%��� ��� ��EAMO EAO EBMO

� ��� -� ��.�����$ ���%��� )<=��������)�&�����σ > π > δ

Page 25: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

��1/������=<� MOs*

� AOs ��1/�������A��� EAMO >>>> EAO >>>> EBMO• ∆∆∆∆Ed: destabilization energy• ∆∆∆∆Es: stabilization energy

� AOs ��1/������ A����EAMO >>>> EAO-H > > > > EAO-L >>>> EBMO• AMO _�����/ �@�0�� AO-H• BMO _�����/ �@�0�� AO-L

25

AO: Atomic orbital

BMO: Bonding Molecular Orbital

AMO: Antibonding Molecular Orbital

Page 26: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

�������������0<���WX<�=<� AOcs

� Pi bonding� Sigma bonding

s+s py+py

26

px+px

6��1=<�<<��/���=YZ��/����������0<���WX<���=<� AO

x

y

z

Page 27: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

Molecular Orbital Diagram

EE--configurationconfiguration: (σσσσ2s)2(σσσσ2s*)

2 (σσσσ2px)2 (ππππ2p)

4(ππππ 2p*)4(σσσσ2px*)2

E n e r g y

27

E n e r g y

Page 28: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

���/��_T<��e� �<�2� MOs

1. -��!�m��������$�����,�����2. *�#�� MO ����,�����;� ; #���� 2 ���*��� �& ->n��#�&���3. !������,������-#�� MO � ���&&���Z��-Q��#��4. . � MO ���&&����#�����% !���� ��)�&`Q���

28

4. . � MO ���&&����#�����% !���� ��)�&`Q���5. !Z��������,������� MO ��#����_��� !Z��������,������ �!������ �-� �&�����

6. ����)�����&*������,������Z���#��������)�&���� *�#�>�������)�&����������>?�*�� σ, π, δ, σ*, π*, δ*

Page 29: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

���/��_T<��e� �<�2� MOs

� H2 molecule � He2 molecule

Antibonding

Antibonding

29

Bonding

H1s H1s

Bonding

He1s He1s

H2 = (σσσσ1s)2 He2 = (σσσσ1s)

2(σσσσ1s*)2

Bond energy = 431 kJ/mol ($� 2 ��� ����)

Page 30: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

<�1/����(Bond order)

� ������������������Z������� *),&*�&)�&�������������� %������ �-.��)�&� ���Q�����+!��!Z��������,�������BMO *�� AMO• ����������� = ½(����,������� BMO g ����,������� AMO)• � ���Q�� �����������-+&!� ��� �-.�� ��

30

• � ���Q�� �����������-+&!� ��� �-.�� ��� �����#�&

H2 H2+ H2

����������� : 1 0.5 0.5

Page 31: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

MO Diagram of Li2 & Be2

� Li2 (2 x 3 electrons)• Li = 1s2 2s1• Bond order = 1

� Be2 (2 x 4 electrons)• Be = 1s2 2s2• Bond order = 0 (no bond)

E n e r g y

31

MO of Li2 MO of Be2

E n e r g y

(σσσσ1s)2(σσσσ1s*)

2 (σσσσ2s)2 (σσσσ1s)

2(σσσσ1s*)2 (σσσσ2s)

2 (σσσσ2s*)2

Page 32: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

MO Diagram of N2 & O2

� O2 (����m��� valence electrons)

• O = 1s2 2s2 2p4• ����������� = 2• �Z����)�& MO *��>���

� N2 (����m��� valence electrons)• N = 1s2 2s2 2p3• ����������� = 1• ���-����)�&���������σp*�� πp • �>?�) ����� � �� MO 8�9�� B2 :�; C2

32

E n e r g y

MO of N2 MO of O2(σσσσ2s)

2(σσσσ2s*)2(σσσσ2px)

2(ππππ2p)4(ππππ2p*)

2(σσσσ2s)2(σσσσ2s*)

2 (ππππ2p)4(σσσσ2px)

2

Page 33: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

33

Page 34: (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence Bond Theory) 2 •; )?ˇ // 0 ˙˝

��/ ������A��e�=<�N���T�

� ���41<����� ��(Diamagnetic)-��� !Z��������,�����->n�)<=�*��->n��&��#����-�� * #�%�,� �����Z��#�� ���Q��>?�P+���

� ����������� ��(Paramagnetic) -��� ����,��������� �Z��% *�&�<&�+����-�� * #�%�,������Z�

34

���$��!��%��_#��)�=�* #�%�,�